高萬兵

(宇通客車股份有限公司, 鄭州 450016)

電動(dòng)車輛充電時(shí)間長(zhǎng)、車輛利用效率低、充電安全等問題長(zhǎng)期以來都是電動(dòng)車輛產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸[1]。電動(dòng)汽車充電過程中,由于電池充電性能的限制,充電時(shí)間、充電效率以及充電容量等充電需求相互矛盾,無法同時(shí)達(dá)到最優(yōu)。為了提升電池綜合充電性能表現(xiàn),需要根據(jù)充電需求來調(diào)整充電策略[2]。

鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)主要以傳統(tǒng)的恒流恒壓(CC-CV)充電方式為主。該方法簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)、不需要精確的鋰電池模型,廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車充電控制[3-4]。但傳統(tǒng)的CC-CV充電方式在電池充電時(shí)間、循環(huán)使用壽命、充電容量方面還有待改善[4]。本文通過相關(guān)檢索,介紹CC-CV充電技術(shù)及其優(yōu)化方法現(xiàn)狀,為實(shí)際應(yīng)用中提升充電速度提供參考。

1 恒流恒壓充電方式的影響因素

1.1 恒流恒壓充電的特點(diǎn)

CC-CV充電方式包括恒流充電過程和恒壓充電過程[4]。恒流充電過程是指充電電流保持不變,電壓逐漸升高,當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)的截止電壓或荷電狀態(tài)(SOC)時(shí)恒流充電過程結(jié)束;恒壓充電是指充電電壓保持不變,充電電流逐漸降低,當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)的截止電流或SOC時(shí)恒壓充電過程結(jié)束。恒流恒壓充電方法的電流-電壓變化曲線如圖1所示[4]。

圖1 CC-CV充電過程電流-電壓變化曲線

恒流恒壓充電兼顧了恒壓充電和恒流充電的優(yōu)點(diǎn),以磷酸鐵鋰電池為例,當(dāng)單體電池電壓低于3.65 V時(shí),采用恒流充電方式保證充電電流不超過限值;當(dāng)單體電池電壓達(dá)到3.65 V時(shí),采用恒壓充電方式限制電池不過充,既保障了充電安全又能將電池充滿[5]。

充電時(shí)間的影響因素主要有充電電流、溫度、內(nèi)阻等。充電電流對(duì)電池的充電速度影響較大,在實(shí)際工程應(yīng)用中,CC-CV的恒流充電階段主要采用增大充電電流的方式縮短充電時(shí)間,但是增大充電電流會(huì)帶來電池及零部件溫度升高、循環(huán)壽命縮短、低溫析鋰、高溫?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn)增大等一系列問題。

1.2 最大可接受電流對(duì)充電時(shí)間的影響

當(dāng)充電電流過大時(shí),鋰離子未嵌入石墨而是與電子結(jié)合,在電芯負(fù)極表面還原形成樹枝狀金屬鋰。這種鋰枝晶的生長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致電池在循環(huán)過程中電極和電解液不穩(wěn)定,會(huì)不斷消耗電解液并導(dǎo)致金屬鋰的不可逆沉積,從而降低電池的庫(kù)倫效率。這種導(dǎo)致金屬鋰不可逆沉積的現(xiàn)象稱作鋰沉積[6-7],也稱析鋰。鋰枝晶的形成甚至?xí)唐聘裟?導(dǎo)致鋰離子電池內(nèi)部短路,造成電池的熱失控,引發(fā)燃燒爆炸。

1.3 溫度對(duì)充電時(shí)間的影響

電池充電特性對(duì)環(huán)境溫度變化較為敏感。特別是在低溫下,電化學(xué)反應(yīng)速率降低、參與反應(yīng)的鋰離子數(shù)量減少,造成充電內(nèi)阻增加,充電容量減少,甚至產(chǎn)生鋰枝晶,造成內(nèi)短路,威脅電動(dòng)汽車使用安全。實(shí)際應(yīng)用中需要將鋰電池加熱到較適宜的溫度進(jìn)行充電,加熱時(shí)間越長(zhǎng)、充電時(shí)間越長(zhǎng)。在高溫狀態(tài)下充電存在熱失控風(fēng)險(xiǎn)。為防止電池溫度過高,可通過降低充電電流的方式,降低電池溫度,但會(huì)造成充電時(shí)間變長(zhǎng)。

1.4 內(nèi)阻對(duì)充電時(shí)間的影響

鋰電池內(nèi)阻隨SOC、環(huán)境溫度等因素變化,不同溫度下的歐姆內(nèi)阻如圖2所示:在0%～20%低SOC區(qū)域,SOC越低,鋰離子運(yùn)動(dòng)阻力越大,對(duì)應(yīng)的歐姆內(nèi)阻越大;在40%～100% SOC階段,電池內(nèi)阻基本保持不變;相同SOC下,溫度越低,電極活性越差,鋰離子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)速度越慢,歐姆內(nèi)阻越大[8]。內(nèi)阻增大會(huì)導(dǎo)致鋰電池充放電過程極化電壓增大,影響充電能量。同時(shí),同一批次的電池參數(shù)存在差異,對(duì)電池系統(tǒng)充電速度也會(huì)產(chǎn)生影響。

圖2 鋰電池在不同溫度下的歐姆內(nèi)阻

2 恒流過程的充電策略優(yōu)化

2.1 基于鋰沉積機(jī)理的最大可接受電流尋優(yōu)

文獻(xiàn)[6]基于鋰沉積機(jī)理推導(dǎo)出計(jì)算鋰離子電池最大可接受充電電流的方法,為實(shí)現(xiàn)鋰電池安全充電提供了理論和試驗(yàn)支撐。如果充電電流高于最大可接受充電電流,會(huì)發(fā)生鋰沉積;反之鋰沉積則不會(huì)發(fā)生。因此,采用最大可接受充電電流充電可以獲得最短的充電時(shí)間。

獲得最大可接受充電電流的關(guān)鍵參數(shù)是陽極平衡電位和陽極電荷轉(zhuǎn)移電阻。陽極平衡電位根據(jù)SOC-OCV關(guān)系得出;陽極電荷轉(zhuǎn)移電阻與活化電位和法拉電流相關(guān),基于Butler-Volmer方程(BVE)可精確推導(dǎo)出陽極電荷轉(zhuǎn)移電阻。根據(jù)陽極平衡電位和陽極電荷轉(zhuǎn)移電阻得出最優(yōu)充電電流,通過試驗(yàn)驗(yàn)證了最佳充電電流理論的可行性。

隨著電池壽命的延長(zhǎng),內(nèi)阻不斷變化,通過預(yù)留出閾值電位的安全裕度來保證電池充電過程的安全, 不同閾電位下的充電狀態(tài)對(duì)比見表1[6]。通過對(duì)鋰離子電池的充電電流與鋰沉積過電位之間關(guān)系的研究,得到最優(yōu)充電電流,保證了在無鋰沉積情況下的最大可接受電流。

表1 不同閾電位下的充電狀態(tài)對(duì)比

2.2 基于MOGWO的充電目標(biāo)優(yōu)化

文獻(xiàn)[9]基于鋰離子電池等效電路模型、熱模型和老化半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?提出了一種多目標(biāo)優(yōu)化的鋰離子電池優(yōu)化充電框架,將充電時(shí)間、健康損失、電池溫升作為充電的目標(biāo)函數(shù)?；诙嚯A段充電優(yōu)化策略,假設(shè)充電階段數(shù)為M,充電電流序列I=[I1,I2,…,IM],充電時(shí)間T=[t1,t2,…,tM],充電多目標(biāo)構(gòu)造函數(shù)如下:

式中:Jt代表充電時(shí)間目標(biāo)函數(shù);Jte代表電池充電過程中的平均溫升目標(biāo)函數(shù);Jl代表電池衰減目標(biāo)函數(shù);fI代表電池可用鋰損失率;fp代表電池正極活性物質(zhì)損失率;fn代表電池負(fù)極活性物質(zhì)損失率;Q0代表電池的初始容量;M代表充電階段數(shù);Ik和tk分別代表第k充電階段充電電流和時(shí)間;Ui和Us分別代表電壓的下限和上限;Ii和Is分別代表充電電流的下限和上限;Ti和Ts分別代表電池溫度的下限和上限;SOCi和SOCs分別代表電池荷電狀態(tài)的下限和上限。

文獻(xiàn)[9]采用多目標(biāo)灰狼優(yōu)化(MOGWO)算法實(shí)現(xiàn)充電目標(biāo)優(yōu)化求解,展示了優(yōu)化后多目標(biāo)的最優(yōu)解,并分析了不同界解的性能。仿真結(jié)果表明,充電時(shí)間、健康損失和電池溫升之間存在矛盾關(guān)系,更短的充電時(shí)間,意味著更大的平均電流,將會(huì)導(dǎo)致電池升溫速度更快,電池的容量衰減更嚴(yán)重。

3 恒壓過程的充電策略優(yōu)化

3.1 基于FC-ASCC的充電優(yōu)化

在傳統(tǒng)CC-CV充電過程中,恒流階段使用25%～40%的總時(shí)間,能夠充入75%～80%的總?cè)萘?恒壓階段的充電效率相對(duì)很低,對(duì)CV段的改進(jìn)成為優(yōu)化的重點(diǎn)[10]。文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了一種基于模糊控制的有源充電狀態(tài)控制器(FC-ASCC),用于替代傳統(tǒng)的恒壓充電過程,如圖3所示。在充電狀態(tài)安全邊界上,基于感知模式(SM)和充電模式(CM)建立FC-ASCC,FC-ASCC通過電流自尋優(yōu)方法,為電池提供適宜的充電電流,提高充電速度。FC-ASCC優(yōu)化技術(shù)和傳統(tǒng)CC-CV方式充電數(shù)據(jù)對(duì)比如圖4所示。由圖4可知,相比傳統(tǒng)CC-CV充電方法, FC-ASCC充電優(yōu)化技術(shù)使充電時(shí)間縮短了23%[10]。

圖3 FC-ASCC構(gòu)成原理

(a) 充電電流

(b) 充電容量圖4 FC-ASCC技術(shù)和CC-CV充電數(shù)據(jù)對(duì)比

3.2 極化電壓優(yōu)化技術(shù)

鋰電池在充放電過程中存在極化現(xiàn)象,與電池充電效率密切相關(guān)。當(dāng)電池大倍率充電時(shí),極化電壓變大,電池快速達(dá)到截止電壓,造成恒壓階段的充電時(shí)間增加,導(dǎo)致整個(gè)充電過程時(shí)間變長(zhǎng)[11-15],因此電池充電極化電壓優(yōu)化策略也是充電速率提升的重要研究方向之一。文獻(xiàn)[15]通過分析鋰電池在不同倍率條件下充電極化電壓特性,表明極化電壓在0～100% SOC范圍內(nèi)呈現(xiàn)兩端高中間低的“碗狀”形態(tài),在中間段SOC區(qū)間,穩(wěn)態(tài)極化電壓與充電倍率近似呈線性關(guān)系;利用極化電壓存在滯后效應(yīng)和超調(diào)效應(yīng)的特點(diǎn),提出基于時(shí)間常數(shù)的充電邊界電流曲線,并制定了相應(yīng)的優(yōu)化充電策略;在控制充電極化水平相近的前提下,基于極化電壓特性優(yōu)化充電策略相比0.5C CC-CV充電,充電倍率提高24%,充電時(shí)間縮短18%[15]。

3.3 基于MOPSO算法的多目標(biāo)充電策略

文獻(xiàn)[2]基于多目標(biāo)優(yōu)化理論,提出了一種基于多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法(MOPSO)的多目標(biāo)充電策略。采用基于電壓的多階段充電控制方式,分別對(duì)3階段、5階段以及7階段的充電策略進(jìn)行研究。從帕累托(Pareto)解集中得出,當(dāng)充電階數(shù)從3增加到5時(shí),充電時(shí)間優(yōu)化較為明顯;而當(dāng)充電階段數(shù)量從5增加到7時(shí),充電時(shí)間優(yōu)化并不明顯。因此在實(shí)際應(yīng)用中最終選取充電階段數(shù)量多為5。

基于多目標(biāo)與優(yōu)化多段充電同恒流恒壓充電相比,多階段充電的第一階段充電電流高于恒流恒壓充電的恒流值,而第2～4階段充電電流大幅度降低,低于恒流恒壓充電的恒壓階段的電流值;由于多階段充電的電流值更高,其充電電壓要略高于恒流恒壓充電。多目標(biāo)充電策略與恒流恒壓充電數(shù)據(jù)對(duì)比見表2[2]。

表2 充電時(shí)間、充電容量以及電池溫升對(duì)比

由表2可知,多目標(biāo)優(yōu)化后的多階充電策略的充電時(shí)間比傳統(tǒng)恒流恒壓充電的充電時(shí)間縮短了6.6%,最大電池溫升降低了2.6%。多階段充電在充電時(shí)間和最高電池溫升方面相對(duì)于恒流恒壓充電都有一定的提升,驗(yàn)證了多階段恒流充電策略的優(yōu)越性。

3.4 自適應(yīng)的多段恒流充電策略

文獻(xiàn)[8]基于一階RC等效電路模型、熱網(wǎng)絡(luò)模型以及老化模型,建立了鋰電池的SOC-SOH-SOT多狀態(tài)聯(lián)合估計(jì)模型來模擬鋰電池的響應(yīng)特性,提出了一種電流階數(shù)自適應(yīng)的多段恒流充電策略(SMCC),利用基于粒子群(PSO)算法求解不同權(quán)重系數(shù)下的最優(yōu)充電策略,得到3種最優(yōu)充電策略:最短時(shí)間充電策略、最小老化充電策略和平衡充電策略。

研究結(jié)果表明:不考慮電池的老化損失,只追求充電時(shí)間的最短時(shí)間充電策略與2C CC-CV策略充電時(shí)間相當(dāng),與1C CC-CV策略相比充電時(shí)間縮短了44.98%(見表3[8]);最小老化充電策略的充電時(shí)間比0.1C CC-CV策略縮短了61.7%,單次充電的老化損失僅為0.839 3%,與1C CC-CV策略相比充電時(shí)間延長(zhǎng)了2.81倍;既考慮充電時(shí)間,也考慮電池壽命的平衡充電策略相比于0.5C CC-CV策略,在增加6.4%老化損失的情況下,減少了44.9%的充電時(shí)間,與1C CC-CV策略相比充電時(shí)間延長(zhǎng)了9.8%,在追求快速、健康充電方式上,平衡充電策略具有很大的優(yōu)勢(shì)。

表3 不同充電方式的充電時(shí)間及溫升對(duì)比

4 結(jié)束語

目前鋰電池的充電技術(shù)優(yōu)化主要包括兩個(gè)方面,一是恒流充電階段優(yōu)化,基于鋰沉積機(jī)理的最大可接受電流尋優(yōu)和分階段恒流充電,以及基于數(shù)學(xué)模型的不同工況下的多目標(biāo)的優(yōu)化充電,提升恒流階段的充電效率,滿足整車短時(shí)快速補(bǔ)電的需求;二是恒壓充電階段優(yōu)化,通過充電電流尋優(yōu)替代恒壓充電階段,以及基于自適應(yīng)算法的多階段恒流充電取代傳統(tǒng)的恒流恒壓充電方案,優(yōu)化充電末端時(shí)間,縮短充電時(shí)間,提升客戶滿意度。